空間紅外探測器用制冷驅動電路母線電流分析

2020-05-12 00:51:26金占雷徐麗娜李昊謙許云飛

激光與紅外 2020年4期

吳南,金占雷,徐麗娜,李昊謙,許云飛,原娜

(北京空間機電研究所,北京 100094)

1 引言

空間紅外遙感全天時工作的優點使其得到廣泛的應用[1],紅外探測器是空間紅外遙感的核心器件,為了提高紅外探測器性能,需要通過主動制冷降低探測器的工作溫度,遏制探測器暗電流的產生和增大信噪比[2-5],隨著紅外探測器規模的日益增大對制冷的能力和精度提出了更高的要求。目前國內已有很多家單位進行了控制算法和硬件電路的研究[6],文獻[7]、[8]建立了基于DSP的制冷控制系統；文獻[9]建立了基于FPGA的斯特林制冷機控制系統；文獻[10]總結了國內外制冷控制系統的研究進展,文中指出制冷機控制器效率最高可達到96 %,如何提高制冷控制的轉換效率,是提高整個控制效率的重中之重的環節。研究制冷控制器各部分的電流及功耗并對功耗占比較大部分進行減功耗設計是大功率制冷控制器的重要研究內容,對于指導單機的熱設計和小型化設計具有重要意義。

本文通過simulink對大功率制冷驅動電路母線電流進行仿真分析,研究參數變化對母線濾波電路功耗的影響,包括：①H橋電源電流仿真分析；②負載、調制度參數變化對母線電流影響分析；③母線濾波電容的電流趨勢原因分析。

2 制冷驅動電路建模

制冷控制器是由完成紅外探測系統內脈沖管制冷機驅動控制的電路單元、產生制冷控制器內部二次電源的DC/DC電源模塊、溫度反饋電路、驅動放大電路以及裝載上述電路的結構體組成。制冷控制器的作用就是根據測溫二極管反饋的溫度信號和設定溫度的差值調節電機驅動電源的幅值,驅動活塞按照規定的頻率運動,從而實現對制冷量的控制,達到對冷指溫度的調節和控制目的。如圖1所示。

圖1 制冷控制器工作原理框圖Fig.1 Operating principle of refrigeration controller

脈管制冷機低溫制冷由于溫度低、功耗大,通常采用SPWM波控制H橋實現DC/AC變換。其中驅動電路采用經典的H橋式電路,圖2中的兩組MOSFET(F1,F4)和(F2,F3)輪流導通,以一定的頻率驅動制冷機M1。為減少DC/AC高次諧波對制冷機的擾動及減小電磁波對外的輻射干擾,需要在DC/AC輸出端放置低通濾波器濾除高次諧波。考慮濾波效果和能量效率,采用LC低通濾波電路。

圖2 驅動電路簡化模型Fig.2 Simplified model of driving circuit

SPWM的調制比ρ定義為：

(1)

其中,US為sin調制波幅值;UT三角載波幅值。

假定負載M1為純電阻RM1。設定UC1～UC3為電容C1～C3(C1～C3電容均為86 μF)兩端的電壓,IC1～IC3為C1～C3的電流,IL1～IL3為L1～L3(L1～L3電感為100 μH)的電流,IF1～IF4為F1～F4(F1～F4的導通內阻均為0.028 Ω)的電流,IM1為流過M1的電流。基于以上條件開展仿真分析。

3 驅動電路仿真分析

3.1 H橋電源電流仿真分析

圖2中兩組MOSFET(F1,F4)和(F2,F3)輪流導通,IH為H橋電源的電流,因此:

IH=IF1+IF3

(2)

由H橋的工作原理可知:

IF1=IF4

(3)

IF2=IF3

(4)

因此,IH出現了倍頻,即IH頻率是IM1頻率的2倍。

針對SPWM調制比ρ=1、RM1=5 Ω的情況進行仿真,結果如圖3所示?？梢钥闯?輸出濾波電感上的電流為:

IL2=IC2+IM1

(5)

IF1與IF3相位差180°(0.01 s),H橋電源電流為IH=IF1+IF3,母線電源電流IL1為IH的低頻分量,母線濾波電容電流IC1為IH的高頻分量:

IH=IL1+IC1

(6)

(a)UC2

(b)IM1

(c)IC2

(d)IL2

(e)IF1

(f)IH

(g)IL1

(h)IC1

3.2 負載RM1、調制度ρ變化對IL1、IC1的影響分析

進一步分析IH、IL1、IC1,由H橋的工作原理可知,對于任意ρ,在SPWM的最大占空比α滿足：

α=(1+ρ)/2

(7)

將圖3的IH局部放大如圖4所示,對比圖3(b)、(d)和圖4可知：

IH極大值≈-IH極小值≈IL2極大值≈IM1極大值

(8)

IH在極值處一個載波周期(50 ns)內的平均值,即IL1極大值可以表示為:

IL1極大值≈IH極大值α+IH極小值(1-α)

=IH極大值(2α-1)

=ρIH極大值≈ρIM1極大值

=1.414ρIM1有效值

(9)

圖4 IH局部放大圖Fig.4 Partial enlarged drawing of IH

在IL1的非極大值位置也可以用相同方法進行瞬時值的計算,由圖3(g)可以看出,IL1近似為直流量加上輸出波兩倍頻率(100 Hz)的正弦,IL1均值和IL1有效值可以分別表示為：

(10)

=0.612IL1極大值

H6：品牌創新能力對新疆農產品品牌競爭力有正向影響，即新疆農業發展的技術創新能力、管理創新能力、形象創新能力越強，新疆農產品區域品牌競爭力越強。

≈0.612ρIM1極大值

(11)

IC1為IH的高頻分量,IC1極小值、IC1均值、IC1有效值分別為：IC1極小值≈-IM1極大值-ρIM1極大值

(12)

IC1均值=0

(13)

(14)

當忽略控制器內阻時,輸出電流可以表示為:

(15)

將式(15)代入式(9)～(14),可以得到忽略控制器內阻的IL1、IC1與U母線電源、RM1的關系:

(16)

IL1均值≈1/2ρIM1極大值

(17)

IL1有效值≈0.612ρIM1極大值

(18)

IC1極小值≈-IM1極大值-ρIM1極大值

(19)

IC1均值=0

(20)

(21)

根據圖2模型進行simulink仿真,當調制比ρ在0.4和1之間保持恒定、RM1從1～10 Ω變化時,IM1極大值、IL1極大值、IL1均值、IL1有效值、IC1極小值、IC1均值、IC1有效值變化情況如圖5所示。

圖5 Simulink仿真結果Fig.5 Simulation result of simulink

仿真結果顯示,當ρ恒定時驅動電路輸出電壓UC2保持恒定,IM1極大值、IL1極大值、IL1均值、IL1有效值均與1/RM1極大值成正比關系。以ρ=0.8、負載RM1=1 Ω為例,仿真結果如下所示：

(22)

式(22)與式(9)～(14)揭示的規律一致,其中IC1有效值的公式推算比較困難,因此采用分析和數據擬合的方法進行的IC1有效值計算。由圖5(g)看出在仿真設定的條件下,當ρ不變時IC1有效值隨著1/RM1線性增大；而RM1不變時IC1有效值隨著ρ的增大而先增大后減小。IC1有效值在三維圖中顯示如圖6(a)所示,可以看出極值點均在ρ=0.8附近。對IC1有效值的仿真結果進行擬合,可得:

(23)